JP2019089216A - 積層体及び紙製容器 - Google Patents

Abstract

【課題】微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層を紙基材上に形成する技術であって、特殊な塗工設備を要することなく、しかも、高いガスバリア性を発揮する塗工層を形成する技術を提供すること。【解決手段】紙基材１２として、その両面のうち、一方の面の繊維密度が高く、他方の面の繊維密度が低いものを使用し、繊維密度の高い面に前記ガスバリア性塗工層１３を塗工する。繊維密度が高く平滑な面に前記塗工層を塗工形成するため、特殊な塗工設備を要することなく、製紙装置のクレー塗工装置等を使用して、しかも、高いガスバリア性を発揮する塗工層を形成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は紙基材にガスバリア層を積層した積層体に関するもので、この積層体は例えば紙カップ等の紙製容器を構成する材料として適している。

ガスバリア性を有する紙を材料とする紙カップは周知である。この紙カップでは、紙基材を基準として容器外面側に、表示や装飾のために印刷画像層を設けることが通常である。そして、この印刷画像層に含まれる溶剤や添加物が内容物に移行することを防止するため、あるいは接着剤層を含めて各層に含まれる溶剤や添加物が内容物に移行することを防止するため、ガスバリア層は紙基材より容器内面側に配置されている（特許文献１，２参照）。

このガスバリア層としては、ポリビニルアルコール等の親水性樹脂や、アルミニウム箔等の金属箔が使用されている。また、金属蒸着フィルムや、酸化ケイ素等の無機物を蒸着した蒸着フィルムがガスバリア層として使用されることもある。

一方、屈曲や温湿度の変化によるガスバリア性の劣化を防止し、また、環境に対する影響を配慮して、微細セルロース繊維を含む塗工液を紙基材に塗布して、その塗工層をガスバリア層として利用する方法も提案されている（特許文献３〜５参照）。

この微細セルロース繊維は、天然セルロース繊維を酸化してセルロース繊維の水酸基の一部をカルボキシル基に変え、ミキサーやホモジナイザー等で微粉末化したものである。こうして酸化処理と微細化処理とを施した微細セルロース繊維を含む塗工層は、微細セルロース繊維間の水素結合や架橋的な強い相互作用によって、高いガスバリア性を発現すると考えられている。

特開２０１６−１４１４５０号公報 特開２０１７−７７９１２号公報 特開２０１５−２４５３８号公報 特許第５３８４９８４号公報 特許第５７７２８１５号公報

ところで、微細セルロース繊維を含む塗工層によって高いガスバリア性を実現するためには、十分な厚みの塗工層を形成する必要がある。一般に塗工液の固形分濃度は２質量％以上であり、十分なガスバリア性を実現するためには乾燥重量で０．５ｇ／ｍ^２以上の塗工層を必要とするため、塗工液は２５ｇ／ｍ^２以上塗工する必要がある。

しかしながら、微細セルロース繊維を含む前記塗工液の粘度は極めて高いため、このような高粘度の塗工液をこのように大量に塗布するためには、特殊な塗工設備を必要とする。

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、特殊な塗工設備を要することなく、しかも、高いガスバリア性を発揮する前記塗工層を形成する技術を提供することを目的とする。

紙カップ等の紙容器に使用される紙基材は、次のような工程を経て製造されている。

すなわち、まずパルプを原料として透水性のベルト上に紙料を供給し、この透水性のベルトとプレスロールとの間で前記紙料をプレスして脱水することにより、湿潤状態の紙層を形成する。

次に、この湿潤状態の紙層をフェルトベルト等の上に移動させ、このフェルトベルト等と大径の加熱シリンダー（ヤンキードライヤー）との間で湿潤状態の前記紙層をプレスする。このとき、湿潤状態の前記紙層の両面のうち、ヤンキードライヤーに向き合った面が加熱されて水蒸気を発生する。そして、この水蒸気はヤンキードライヤーから遠い表面から放出され、フェルトベルト等に吸収されて、前記紙層が乾燥される。このようにヤンキードライヤーから遠い表面では水蒸気が放出されるため、この表面に水蒸気放出用の孔が形成される。このため、この表面では、繊維密度が低く、また、平滑性に乏しい面となる。他方、ヤンキードライヤーに向き合った面は強く加熱されて繊維密度が高くなる。また、この面から水蒸気が放出されることはないから、比較的平滑な面となる。そして、紙カップ等の紙容器においては、ヤンキードライヤーに向き合った面、すなわち、繊維密度が高く平滑な面を紙容器の外面側に配置してこの平滑面に前記印刷画像層を設け、他方、ヤンキードライヤーから遠く、繊維密度が低く平滑性に乏しい面は紙容器の内面側に配置する。

そして、このように紙層を乾燥した後、印刷画像の下地としてクレー等を塗工し、巻き取って紙基材とする。このクレーは印刷画像の下地として塗工するものであるから、紙容器の外面側、すなわち、ヤンキードライヤーに向き合って、繊維密度が高く平滑な面に塗工される。

ところで、クレー等は粘度の高い材料であり、このクレー塗工装置を使用すれば、微細セルロース繊維を含んで粘度の高い前記塗工液を十分な厚みに塗工できることが分かった。そして、このように十分な量の塗工液を塗工して形成された塗工層は十分なガスバリア性を有するのである。

本発明はこのような経緯に基づいてなされたもので、請求項１に記載の発明は、紙基材と、微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層とを有する積層体において、
前記紙基材が、その両面のうち、一方の面の繊維密度が高く、他方の面の繊維密度が低いものであり、繊維密度の高い面に前記ガスバリア性塗工層が積層されていることを特徴とする積層体である。

前述のとおり、繊維密度が高い面は容器外面側に配置されるから、この面にガスバリア性塗工層を配置することは、このガスバリア性塗工層が紙基材を基準として容器外面側に位置することを意味している。

次に、請求項２に記載の発明は、紙基材と、微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層とを有する積層体において、
前記ガスバリア性塗工層の上に印刷画像層を有することを特徴とする積層体である。

前述のとおり、印刷画像層は表示や装飾のために設けられるもので、紙基材を基準として容器外面側に配置されるから、ガスバリア性塗工層の上に印刷画像層を有することは、このガスバリア性塗工層も紙基材を基準として容器外面側に位置することを意味している。

次に、請求項３に記載の発明は、前記微細セルロース繊維の平均径が２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層体である。

また、請求項４に記載の発明は、前記微細セルロース繊維がカルボキシル基を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層体である。

次に、請求項５に記載の発明は、前記ガスバリア性塗工層が水溶性高分子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層体である。

次に、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の積層体で構成した容器であって、
前記ガスバリア性塗工層が紙基材より外面側に位置していることを特徴とする紙製容器である。

本発明によれば、容器外面側、すなわち、繊維密度の高い面に微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層を塗工形成するから、特殊な塗工設備を要することなく、クレー等の塗工装置を使用して、しかも、高いガスバリア性を発揮する前記塗工層を容易に形成することができる。そして、このため、既存の製紙設備によって、紙基材の製造と前記塗工層の形成とをインラインで行うことができる。

図１は本発明の積層体の具体例を示す断面説明図である。 図２は本発明の紙製容器の具体例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の具体例を説明する。図１は本発明の積層体１０の具体例を示す断面説明図である。また、図２はこの積層体１０で構成した紙製容器２０を示している。

この積層体１０は、紙基材１２の一方の面にガスバリア性塗工層１３を積層して構成されている。そして、紙基材１２の他方の面にはシーラント層１１が積層されており、ガスバリア性塗工層１３の上には印刷画像層１４が設けられ、この印刷画像層１４を被覆して透明保護層１５が設けられている。いうまでもなく、この積層体１０を使用して紙製容器２０を製造したとき、シーラント層１１が容器の内面を構成し、透明保護層１５が容器の外面を構成する。

紙基材１２は任意の紙で構成することができるが、紙製容器２０を構成するものとして適切な紙を使用することが望ましい。例えば、カップ用原紙である。

紙基材１２は、その両面のうち、一方の面の繊維密度が高く、他方の面の繊維密度が低いものである必要がある。このような紙基材１２は、前述のように、ヤンキードライヤーを使用した乾燥工程を経て製造することができる。ヤンキードライヤーに向き合った面、あるいはヤンキードライヤーに接触した面は、その繊維密度が高く、また、平滑になる。一方、その反対側の面は、繊維密度が低く、平滑性に乏しい面となる。積層体１０で紙製容器２０を構成したとき、繊維密度が高い面は容器外面側に位置し、繊維密度が低い面は容器内面側に位置する。

ガスバリア性塗工層１３は微細セルロース繊維を含む塗工液を紙基材１２に塗工して形成した層である。塗工液は、紙基材１２の両面のうち、繊維密度が高い面に塗工する必要がある。仮に繊維密度が低い面に塗工する場合には、この塗工液の粘度が高いために、十分なガスバリア性を有する塗工層１３の形成が困難である。とりわけ、平滑度が３μｍ以下の平滑な面に塗工することが望ましい。平滑度は、ＪＩＳ Ｐ８１５１「紙及び板紙−表面粗さ及び平滑度試験方法（エア・リーク法）−プリントサーフ試験機法」に従い、クランプ圧を９８０ｋＰａとして測定できる。なお、この測定は、ＴＥＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥＳ社製パーカープリントサーフ紙平滑度測定機で測定することが可能である。

微細セルロース繊維は天然セルロースを原料として、これを平均径２００ｎｍ以下に微細化したものである。天然セルロース繊維を機械的に微粉砕して微細化したものでもよいし、化学的に変性して微細化したものでもよい。望ましくは、天然セルロース繊維を酸化してその水酸基の一部をカルボキシル基に変換し、次いで機械的にこれを微細化したものである。

その酸化処理は、Ｎ−オキシル化合物を触媒として、酸化剤で酸化することによって可能である。また、この酸化処理は、臭化物又はヨウ化物との共存下で行うことが望ましい。Ｎ−オキシル化合物としては２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジンＮ−オキシルを使用することができる。また、酸化剤としては、ハロゲン、次亜ハロゲン酸，亜ハロゲン酸や過ハロゲン酸又はそれらの塩、ハロゲン酸化物、窒素酸化物、過酸化物など、目的の酸化反応を推進し得る酸化剤であれば、いずれの酸化剤も使用できる。また、臭化物又はヨウ化物としては、水中で解離してイオン化可能な化合物、例えば、臭化アルカリ金属やヨウ化アルカリ金属などが使用できる。この酸化処理は、セルロース骨格中６位の水酸基を選択的に酸化してカルボキシル基に変換するもので、この酸化処理によって、続く機械的な微細化処理によって効率的に微細化できる。機械的な微細化処理は、例えば、ミキサーあるいはホモジナイザー等で可能である。

こうして得られた微細セルロース繊維の懸濁液をそのまま前記塗工液として紙基材１０上に塗工することもできるが、この懸濁液に水溶性高分子を配合して前記塗工液とすることが望ましい。水溶性高分子としては、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が使用できる。塗工液の固形分濃度は２質量％以上であることが望ましい。

この塗工液は粘度が高いため、例えば、製紙装置のクレー塗工装置等を使用して塗工することが望ましい。このクレー塗工装置を使用すれば、紙基材１０の製造と塗工液の塗工工程とをインラインで行うことができる。なお、その塗布量は、塗工層１３の乾燥重量が０．５ｇ／ｍ^２以上となる量であることが望ましい。塗工液の固形分濃度は２質量％の場合には、この塗工液を２５ｇ／ｍ^２以上塗工することにより、乾燥重量０．５ｇ／ｍ^２以上の塗工層１３を形成することができる。

塗工液の塗工によって形成された塗工層１３は平均径２００ｎｍ以下の微細セルロース繊維を含むものである。このように微細なセルロース繊維は、紙基材１０表面の繊維と絡み合うと共に、その層内でも互いに緻密に絡み合うため、酸素や空気等の各種ガスに対するバリア性を発揮する。また、この微細セルロース繊維がセルロース骨格中６位にカルボキシル基を導入したものである場合には、微細セルロース繊維間の水素結合や架橋的な強い相互作用によって、さらに高いガスバリア性を発現する。

また、塗工液が水溶性高分子を含む場合には、塗工層１３も微細セルロース繊維と共に水溶性高分子を含有する。この水溶性高分子は紙基材１０の表面に浸み込んで、紙基材１０表面の繊維と絡まり合い、紙基材１０と塗工層１３との密着性を向上させる。そして、このため、紙基材１２の両面のうち、繊維密度が高い面に塗工層１３を積層したときにも、塗工層１３は高い剥離強度で紙基材１２に密着する。なお、このように塗工液が水溶性高分子を含む場合には、水溶性高分子は塗工層１３の１質量％以上を占めるが好ましい。

次に、印刷画像層１４は表示や装飾のために設けるものである。このため、積層体１０で紙製容器２０を製造したとき、その外側から透視できる位置に設ける必要がある。本発明においては、紙基材１１の外面側に塗工層１３を配置しているから、印刷画像層１４はこの塗工層１３の上に配置する必要がある。

印刷画像層１４は任意の印刷方法によって印刷形成することができる。例えば、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法等である。その画像、色彩等も必要に応じて任意である。

透明保護層１５はこの印刷画像層１４を保護する層である。容器２０外面から印刷画像層１４を透視可能とする程度の透明性を有するものであればよい。この透明保護層１５がヒートシール性を有する場合には、積層体１０を丸めて、その端部の透明保護層１５とシーラント層１１とをヒートシールすることにより、紙製容器２０の筒状胴部を形成することができる。この透明保護層１５としては、例えば、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、無延伸ポリプロピレン等の樹脂から成る透明フィルムで構成することができる。また、これら樹脂を塗工することによって透明保護層１５としてもよい。

次に、シーラント層１１としては、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、無延伸ポリプロピレン、線状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）等が使用できる。

次に、この積層体１０を使用し、シーラント層１１を最内面として、紙製容器を構成することができる。紙製容器としては、紙カップ、ゲーベルトップ型の紙容器、円柱型の紙容器等が例示できる。図２は紙カップを示すもので、積層体１０はその胴部、底部、あるいはその両者に使用することができる。また、図示しない蓋材として使用することもできる。こうして製造した紙製容器には、酸素ガス等で変質又は劣化する内容物を収容することができる。積層体１０の前記塗工層１３は高いガスバリア性を有しており、しかも、屈曲や温湿度の変化によってもガスバリア性は劣化しないから、この積層体１０で構成された紙製容器に収容された内容物は、長期間に渡って保存することが可能である。

１０：積層体 １１：シーラント層 １２：紙基材 １３：ガスバリア性塗工層
１４：表面保護層 ２０：紙製容器

Claims (6)

1. 紙基材と、微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層とを有する積層体において、
   前記紙基材が、その両面のうち、一方の面の繊維密度が高く、他方の面の繊維密度が低いものであり、繊維密度の高い面に前記ガスバリア性塗工層が積層されていることを特徴とする積層体。
2. 紙基材と、微細セルロース繊維を含むガスバリア性塗工層とを有する積層体において、
   前記ガスバリア性塗工層の上に印刷画像層を有することを特徴とする積層体。
3. 前記微細セルロース繊維の平均径が２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層体。
4. 前記微細セルロース繊維がカルボキシル基を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層体。
5. 前記ガスバリア性塗工層が水溶性高分子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層体。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の積層体で構成した容器であって、
   前記ガスバリア性塗工層が紙基材より外面側に位置していることを特徴とする紙製容器。